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                超聲波處理高濃度有機廢水技術分析

                發布日期: 2017-11-21  瀏覽人數:



                      高濃度有機廢水主要分布在化工、冶金、煉焦、輕工、食品等行業,對環境造成了嚴重的污染。按其性質和來源大體可分為三大類:(1)易于生物降解的高濃度有機廢水,一般來自以農牧業產品為原料的工業廢水,如食品工業廢水;(2)高濃度有機廢水中的有機物是可以生物降解的,但廢水中含有其他有害物質,廢水主要來自制藥工業和部分化工行業;(3)難于生物降解和含有有害物質的高濃度有機廢水,主要來自合成化學行業,如染料工業、農藥工業等。對于后兩類廢水生物方法通常無法達到處理要求,而采用物理化學方法處理高濃度有機廢水,成本很高,每噸水處理費用達到數十元,高昂的處理費用使得大量高濃度難降解有機廢水得不到有效處理而排放,所以研究高濃度有機廢水的治理,完善其治理技術,是十分迫切的任務。

                  很多研究表明,生物降解過程中存在真一些具有共同特性的關鍵步驟,一般是跨越膜的傳質過程和圍繞關鍵酶的反應過程,因此生物降解活性可能是其親脂性與電子效應的加和,以及其他次要因素(如立體效應等)的綜合反應。難以降解物質之所以在生化過程中分解速率緩慢,是因為某些功能團難以為微生物打開,從而成為生化反應的限制步驟。如果能在預處理中破壞這些功能團,打開其化合鍵,或者在芳香環中引入羥基而改變其結構,就可以打破這些官能團對生物降解的限制作用,極大地提高生化反應的速率,超聲波處理可以快速有效地做到這一點。

                  利用超聲波降解水中的化學污染物,尤其是難降解的有機污染物,是近年來發展的一項新型水處理技術。它集高級氧化技術、焚燒、超臨界水氧化等多種水處理技術的特點與一身,具有反應條件溫和、速度快、適用范圍廣等特點,可以單獨使用或與其他技術聯合使用,具有很大的發展潛力。超聲波能在水中引起空化效應,產生約4000K和100Mpa的瞬間局部高溫高壓環境(熱點),同時以約110m/s的速度產生具有強烈沖擊力的微射流的沖擊波。水分子在熱點達到超臨界狀態,并分解成羥基自由基、超氧基等,其中,羥基自由基是目前所發現的最強的氧化劑。有機物在熱點發生化學鍵斷裂、水相燃燒、高溫分解、超臨界水氧化、自由基氧化等反應,這些效應加上聲場中的質點振動、次級衍生波等為有機物降解提供了其他方法難以達到的多種途徑。

                  1、超聲降解有機物的動力學研究
                  有機物的超聲降解過程遵循表現一級反應動力學規律。瞬間空化泡崩潰時釋放出的巨大能量是引起聲化學反應的主動力,伴隨空化泡崩潰所產生的機械效應與化學效應反應在三個不同的空間內,即空化泡內部,此時空化泡本身猶如一個高溫高壓反應器;緊靠空化泡壁的氣(汽)液交界面;離交界面更遠一些的區域及主體溶液相,有機物將受到沖擊波及隨沖擊波擴散而來的活性自由基作用。
                  2、超聲降解高濃度有機廢水的影響因素
                 。1)、超聲波功率
                  在超聲波作用下,有機物的降解通常遵守一級動力學反應。超聲降解反應速率一般隨聲強的增大而增加,但強度過高會適得其反。因為聲能太大,空化泡會在聲波的負壓相長得很大而形成屏障,使系統可利用的聲能反而降低,降解速率因此下降。
                 。2)、超聲波頻率
                  研究表明,高頻超聲波有助于提高超聲降解速率,這是由于羥基自由基的產率隨著聲頻率的增加而增加。事實上,在超聲降解過程中,超聲強度和頻率之間有一個最佳匹配,而且頻率的選擇與被降解有機物的結構、性質以及降解歷程有關,并不是所有情況下高頻超聲波有利于降解。
                 。3)、廢水中的溶解氣體
                  溶解氣體對超聲降解速率和降解程度的影響主要有兩方面的原因:一是溶解氣體對空化泡的性質和空化強度有重要的影響;另外溶解氣體如N2、O2產生的自由基也參與降解反應過程,因此,影響反應機理和降解反應的熱力學和動力學行為。超聲空化產生的最高溫度和壓力總是隨著絕熱指數r增大而升高。對單原子氣體,r=1.666,而多原子氣體(如泡腔內的空氣、水蒸氣或有機物蒸氣)的絕熱指數總是小于單原子氣體,例如,從飽和的水溶液r=1.33.可見,在超聲降解過程中,使用單原子稀有氣體總能提高降解的速率和程度。
                 。4)、廢水的性質
                  液體的性質如溶液黏度、表面張力、PH以及鹽效應都會影響溶液的超聲空化效果。溶液黏性對空化效應的影響主要表現在兩個方面:一方面它能影響空化閥值,另一方面它能吸收聲能。當然溶液黏度增加時,聲能在溶液中的黏滯損耗和聲能衰減加劇,輻射溶液中的有效聲能減少,致使空化閥值顯著提高,溶液發生空化現象變得困難,空化強度減弱,因此,黏度不太高有利于超聲降解。隨著表面張力的增加,空化核生成困難,但是空化氣泡崩潰時產生的極限溫度和壓力升高,有利于超聲降解。當溶液中有少量的表面活性劑時,溶液的表面張力迅速下降,在超聲波作用下有大量泡沫產生,但空化泡崩潰時產生的威力很小,因此不利于超聲降解。
                 。5)、反應溫度
                  溫度對超聲空化的強度和動力學過程具有非常重要的影響,從而造成超聲降解的速率和過程的變化。溫度升高會導致氣體溶解度減小,表面張力降低,飽和蒸氣壓增大,這些變化對超聲空化是不利的。一般生化學效率隨溫度的升高呈指數下降,因此,聲化學過程在低溫(20℃)進行較為有利,超聲降解一般都在室溫下進行。
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